某乘用車后背門屈曲穩定性分析及優化

劉俊紅，劉丹，袁夏麗

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某乘用車后背門屈曲穩定性分析及優化

劉俊紅，劉丹，袁夏麗

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章以某乘用車后背門為研究對象，針對其把手處出現凹陷的質量問題，根據實際受力情況，用有限元分析方法進行屈曲穩定性研究，得出后背門產生凹陷的真正原因，提出解決方案，進而利用有限元虛擬仿真技術對優化方案進行了可行性驗證，經實車確認，凹陷問題得到徹底解決，有效提升產品品質。

后背門；屈曲穩定性；凹陷；分析；優化

前言

當結構所受應力達到屈服極限或抗拉極限時，將引起塑性變形或斷裂，這屬于強度不足引起的失效。薄板件受壓時，卻表現出與強度失效全然不同的性質，當薄板件所受壓力逐漸增加到某一極限值時，其平衡狀態會變為不穩定，稱為失穩或屈曲。

屈曲分析主要研究結構在特定載荷作用下的穩定性及確定結構失穩的臨界載荷及屈曲模態形式，屈曲常分線性屈曲和非線性屈曲兩種形式。本文主要講述線性屈曲分析。 汽車外板設計主要由造型設計決定，造型和材料一旦確定，外板件的屈曲性能也即確定。本文針對某在研車型在試驗驗證階段出現的批量后背門外板凹陷問題，利用有限元數值仿真分析方法，對其屈曲性能進行分析研究，并根據分析結果提出優化方案，提升整車產品品質。

圖1 實車凹陷區域示意圖

1 有限元模型的建立

對于結構簡單的部件，可以采用經典的歐拉公式計算臨界載荷，相應的變形可以從截面的慣性矩判斷，結構的彎曲變形一定發生于抗彎能力最小的縱向平面內。但對于稍加復雜的結構，更快速有效的手段是建立有限元模型、使用有限元仿真技術進行臨界載荷的計算。

1.1 FE模型建立

抽取后背門和截取的車身部分CAD模型的中面，使用二維SHELL單元進行網格劃分，平均網格尺寸為10mm，為了保證分析精度，使用下表1所示的標準進行網格質量的檢查。對重點關注的后背門把手區域進行網格細化，平均尺寸為5mm，不銹鋼增強墊的粘膠部分采用三維實體單元進行劃分，不銹鋼部分采用二維SHELL單元類型進行劃分，平均網格尺寸為5mm，鉸鏈部分采用三維實體單元進行劃分，平均網格尺寸為3mm。

表1 單元質量檢查標準

圖3 不銹鋼增強墊FE模型

1.2 材料屬性及連接

鈑金件及不銹鋼增強墊均定義材料的線性屬性，材料屬性定義如下表：

表2 材料屬性列表

用KINCOUP單元來模擬二保焊和螺栓連接部分，用ACM單元來模擬點焊部分。

1.3 邊界條件

為模擬實車在正常關閉狀態下開啟門把手時的情況，約束車身截取位置的全部自由度，后背門鉸鏈處放開繞Y軸轉動自由度，門鎖處約束3個方向平動自由度，氣撐桿位置施加810N的力，門把手處按照實測情況施加277N的最大開啟力。

圖4 后背門屈曲有限元模型

2 分析結果

2.1 原方案分析結果

有限元軟件中線性屈曲計算通常得到屈曲載荷因子（特征值）λ及屈曲模態，其中λ=臨界載荷/施加載荷，屈曲模態能夠預測結構的失穩形式。屈曲載荷因子可以是正值也可是負值，負值表明只有與施加載荷相反方向的載荷才能引起屈曲；屈曲載荷因子也可以小于1，小于1表明施加載荷已經超過了屈曲載荷值。提取后背門結構的屈曲特性：特征值和屈曲模態（主要看第一階模態，因為產生第一階屈曲模態時的臨界載荷最小），結果如圖5所示。

圖5 原方案屈曲分析結果

從分析結果可見，后背門結構的屈曲模態第一階振型恰好出現在后背門把手上端的凹陷處，第一階特征值為-4.156，即在沿門把手方向推力達到1152N時，后背門會在屈曲模態振型產生的位置發生不穩定現象。這與試驗結果相一致。

2.2 結構優化分析

在實際工程應用中，常采用改變鋼板的幾何形狀、約束條件或者增加鋼板厚度等方式提高薄板結構的抗屈曲失穩能力。改變后背門外板的幾何形狀需要重新修改模具，考慮到成本，此方法不可取，在后背門邊界條件一定的前提下，只能通過增加鋼板厚度的辦法來改善結構的屈曲性能，如果對整個后背門外板增加厚度，則成本增加太多，且對整車的輕量化及經濟性不利，鑒于此，采取局部加強的方法應該是較優選擇，修改方案確定為在產生凹陷區域按圖示貼一尺寸為50×150mm的不銹鋼加強條。為了驗證方案是否有效，采用有限元分析的方法進行了虛擬驗證，改進方案及分析結果如圖6和圖7所示。

圖6 改進方案

圖7 改進方案分析結果

通過上述分析，可以看出：對后背門外板結構進行改進后，在車門開啟力作用下，外板發生屈曲的特征值和位置均發生了變化。增加加強條后，后背門外板的屈曲特征值有明顯提升，說明使結構發生屈曲的載荷提高了，屈曲振型發生的位置也從產生凹陷的區域移到了置放車牌的位置。所以，進行結構改進后可以有效地避免后背門外板原凹陷區域的產生。

2.3 實車方案可行性分析

圖8 實車方案

圖9 實車方案分析結果

在開啟力作用下后背門外板發生屈曲的位置集中在后背門右側，左側沒有出現不穩定現象。因此，建議實車應用方案在改進方案的基礎上進行調整：取消左側增強墊，保留右側增強墊。建議實車方案和分析結果如圖8和圖9所示。

從圖8和9并結合表2統計數據可以看出：取消左側增強墊對后背門外板結構屈曲特征值、屈曲模態及屈曲產生的位置影響不大，因此認為實車實施時，可以取消左側的增強墊。

表3 后背門各方案屈曲分析結果匯總

3 結論

后背門外板原始結構方案在推力作用下產生屈曲的位置與實車出現凹陷的位置一致，表明實際出現后背門凹陷是由于結構缺乏支撐而產生了屈曲所致；在對后背門外板結構進行改進后，發生屈曲的位置發生了變化，不再位于實際發生凹陷的位置，屈曲特征值也有明顯提升，說明使結構發生屈曲的載荷提高了，使用增加不銹鋼增強墊的方法可以有效地避免后背門外板原凹陷區域的產生；取消左側增強墊對后背門外板結構屈曲特征值和屈曲模態均影響不大，因此在實際實施改動時，可以取消左側的增強墊。

根據計算結果采用實車建議方案，僅在右側增加不銹鋼加強條，通過多臺車的實車驗證，實車建議方案的驗證效果良好，能夠實現連續開關后背門達到3000次以上無屈曲凹陷發生。按照客戶正常使用頻次，可以保證10年以上的可靠性。

通過有限元虛擬仿真技術找出某乘用車后背門產生凹陷的原因，并通過方案對比分析，找出較優的解決方案，通過試驗驗證確認，最終解決產生凹陷的質量問題。利用有限元屈曲仿真，指導結構改進優化，縮短開發周期，降低研發成本。

[1] 劉鴻文.材料力學[M]北京:高等教育出版社.2004.

[2] 艾傳智,肖攀,周建文. 雨刮機構連桿屈曲分析[J]. MSC.Software [C].2007.

[3] 黃鵬程,張林波,張關良等.屈曲分析在汽車開發中的應用[J]. MSC. Software[C].2007.

Analysis and Optimization of the Buckling Stability of the Tailgate of a Passenger Car

Liu Junhong, Liu Dan, Yuan Xiali

（The Center of Technology of Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

Based on the tailgate of a passenger car as the research object, its handles appear the collapse quality problem, according to the actual working situation, using finite element method for buckling stability study, it is concluded that the real reason that procedures collapse problem, the efficient solution is proposed, further using finite element simulation technology to check the optimize case feasibility and confirmed by the real vehicle, collapse problem get solved, effectively improve the quality of products.

Tailgate; Buckling; Stability; Collapse; Analysis; Optimization

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

劉俊紅，女，(1981.2-)，安徽合肥人，研究生學歷，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.009